计算机网络重点整理

Chapter1——概述

因特网概述

网络network：许多计算机连接在一起
互联网internet：许多网络连接在一起
因特网Internet：全球最大的互联网

发展三阶段：

ARPANET to internet
1969 分组交换
1975 互联网
1983 TCP/IP 互联网起源美国军方研究
三级结构的Internet
1985 局域网地区网主干网美国政府支持多层次的ISP(internet service provider)
1993 正式民营
因特网的标准化：因特网协会ISOC

因特网的组成

边缘部分：由主机与伺服器构成，实现主机间的通信
核心部分：由路由器与网络构成，实现数据的交换

报文交换方式

电路交换：建立专线连接，适合数据量大的实时传输
报文交换：直接发送一个个报文，时延比分组交换长
分组交换：将报文分成多段添加首部之后分别传输，线路复用。路由器有存储转发功能优点：高效、灵活、迅速、可靠缺点：时延、开销

计算机网络的类别

依作用范围：
- 广域网WAN：花钱向ISP买服务、买带宽
- 城域网MAN
- 局域网LAN：自己购买设备自己维护，带宽固定 (100M、1000M)，距离100米以内
- 个人区域网PAN
依使用者划分：
- 公用网Public Network:Internet
- 专用网Private Network:内网
依拓扑结构：
- 总线型
- 环形
- 星型
- 树型
- 网状结构
依交换方式：
- 电路交换网
- 报文交换网
- 分组交换网
依工作方式：
- 资源子网
- 通信子网
- 接入网

计算机网络的性能指标

速率(data rate/bit rate)：主机在数字信道上传输数据位的效率
- 单位：b/s(bps), kb/s, Mb/s, Gb/s
带宽(bandwidth)：数字信道所能达到的最高速率
- 单位：b/s, kb/s, Mb/s, Gb/s
吞吐量(throughput)：单位时间内通过某个网络的数据量
- 单位：b/s, Mb/s, etc.
时延：
- 发送时延=数据块长度(bit)/信道带宽(bit/s)
- 传播时延=信道长度(meter)/信号在信道传播速率(meter/s)
- 处理时延=处理分组，查找适当路由的时延
- 排队时延=在路由中等待转发的时延（取决于网络当时通信量）
- 总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延
- 时延带宽积(表示链路能够容纳的最高比特)=传播时延*带宽
往返时间(Round-Trip Time):双向交互一次所需要的时间
利用率：
- 信道利用率：某信道有百分之几的时间是有被利用的（有数据通过）
- 信道利用率=有数据通过时间/全部时间
- 网络利用率：全网信道利用率的加权平均值
非性能指标：

计算机网络体系结构

OSI/RM(Open Systems Interconnection Reference Model)七层模型：互联网法律上的国际标准
- 应用层(Application layer):能够产生网络流量、能够与用户交互的程序
- 表示层(Presentation layer):加密、压缩、面向开发人员
- 会话层(Session layer)：服务和客户端建立的会话、查木马
  ----------以上为开发人员主要业务范围----------
- 传输层(Transport layer)：可靠传输（建立会话）、不可靠传输（不建立会话）、流量控制
- 网络层(Network layer)：IP地址编址、选择最佳路径
- 数据链路层(Data link layer)：数据如何封装、添加物理层地址(MAC地址)
  ----------以上为网络工程师主要业务范围----------
- 物理层(Physical layer)：规定电压、接口标准
网络排错：从底层到高层逐个排错
OSI模型的网络安全：
- 物理层安全：交换机/路由器接口管理
- 数据链路层安全：ADSL密码、无线AP(access point)密码
- 网络层安全：路由器限制IP网段
- 应用层安全：SQL注入漏洞、上传漏洞
开放系统信息交换概念：
- 实体(entity):交换信息的硬件或软件进程
- 协议(protocol):两个对等实体的通信规则
- 服务(service):下层向上层提供服务，上层通过下层的服务实现本层共能
- 服务访问点(Servise Access Point):相邻两层实体间交换信息的地方
五层协议的数据单元：
- 应用层：传输数据单元PDU（ex.文档）
- 运输层：报文（分段）
- 网络层：IP数据包（给每个段加上IP地址）
- 数据链路层：数据帧（加上物理层地址）
- 物理层：bit（加上帧头帧尾）

Chapter2——物理层

物理层的基本概念

任务描述：解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流的问题 主要任务：确定与传输媒体的接口的特性，如：

机械特性：接口形状、大小、引线数
电气特性：电压范围
功能特性：0与1的电压表示
过程特性：建立连接时各个部门的工作步骤

典型数据通信模型

常见编码方式

不归零制：正电平为1、负电平为0
归零制：正脉冲为1、负脉冲为0
曼彻斯特编码：位周期中心向上跳为0、向下跳为1
差分曼彻斯特编码：位周期中心始终有跳变，位边界有跳变为0、无跳变为1（抗干扰性较强）

信道的极限容量

奈式准则：在任何信道中码元传输速率是有上线的，否则会出现码间串扰问题

理想低通信道最高码元传输速率=2WBaud W为带宽，单位Hz Baud为波特，码元传输速率的单位（1码元有1bit信息量则1波特=1bit/s）
信噪比：信号平均功率和噪声平均功率之比

信噪比(dB)=10log(S/N) (dB)
香浓公式：有噪信道的极限传输速率S $W \times \log_2 (1+ \frac{S}{N})$(b/s)

信道复用技术(multiplexing)

频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing):每个用户分配一定的频带并一直占用
时分复用TDM(Time Division Multiplexing):所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度，每个用户占用的时隙周期性出现
统计时分复用STDM(Statistic TDM):为每个用户添加地址信息并不固定分配时隙给不同用户
波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)：光的频分复用
码分复用CDM(Code Division Multiplexing):通过码片编解码

Chapter3——数据链路层

数据链路层的信道类型

点对点信道：一对一的通信方式
广播信道：一对多的广播通信、较复杂、使用共享信道协议来协调主机的数据发送

链路与数据链路

链路(link)：一条点到点的物理线路段，中间没有其他的点、链路是通路的一个组成部分
数据链路(data link)：物理线路+通信协议
一般适配器（网卡）包含了数据链路层与物理层

三个基本问题

封装成帧(framing)：在IP数据报的前后分别添加首部与尾部构成一个帧。

帧=帧开始符SOH+控制信息（位于首部与尾部）+数据部分+帧结束符EOT

透明传输：如果数据部分有SOH或EOT必须使用字节填充插入转义字符
差错控制：传输过程可能出现的比特差错（0变成1）

误码率BER(Bit Error Rate)：传输错误的比特占总比特的比率

循环冗余检验CRC：原数据（被除数）加上n位0，使用固定n+1位除数P求得余数R，将R替换n位0传输，接收方使用P除数据若商为0则接受，否则丢弃

点对点协议PPP(Peer to Peer Protocol)

满足的要求：
- 简单
- 封装成帧
- 透明性
- 支持多种网络协议
- 支持多种类型链路
- 差错检测
- 检测连接状态
- 最大传送单元
- 网络层地址协商数据压缩协商
PPP协议的组成：
- 最底层：高级数据链路控制协议(HDLC)
- 中间层：链路控制协议(LCP)
- 上层：网络控制协议(NCP)
PPP协议帧格式
- 字节填充（如果信息字段出现0x7E）：
- 零比特填充（当传送比特位时）：
PPP 协议的工作状态
- LCP(link control protocol)：链路控制
- NCP(network control protoco)：网络控制

广播信道

局域网的拓扑
局域网主要优点与特点：
- 具有广播功能，便于访问全网，局域网上的主机可共享硬件与软件
- 便于扩展，灵活
- 提高系统的可靠性、可用性，生存性
共享通信媒体
- 静态划分
  - 频分复用
  - 时分复用
  - 波分复用
  - 码分复用
- 动态媒体接入控制（多点接入）
  - 随机接入（主要为以太网）：所有用户随机发送消息，可能产生碰撞
  - 受控接入（已停用）：服从一定控制的发送消息，如轮询
以太网协议：
- CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)载波监听多点接入/碰撞检测
  - 载波监听：每个站在发送数据之前要先检测是否有其他计算机在发送数据，如果有则暂时不要发送数据
  - 多点接入：许多计算机以多点接入的方式连接在总线上
  - 碰撞检测：计算机边发送数据边检测信道信号电压，如果电压摆动只超过阀值（信号叠加）则表示产生碰撞（冲突）
  - 半双工通信
- 截断二进制指数退避算法(truncated binary exponential backoff)

以太局域网（以太网）

以太网的两个标准：DIX Ethernet V2、802.3(IEEE)
以太网与数据链路层的两个字层
- 逻辑链路控制LLC(Logical Link Control)
- 媒体接入控制MAC(Medium Access Control)
- 局域网只有MAC协议
以太网的服务：不可靠的（最大努力交付）
以太网的信道利用率

以太网的MAC层

MAC地址
- MAC地址：aka.物理地址、硬件地址
- 6个字节（48位）
- 由IEEE的注册管理机构RA(Registration Authority)管理
- 前三位为组织唯一标识符OUI(Organizationally Unique Identifier)
- 后三字节由厂家指派，为扩展标识符(extended identifier)
- MAC地址被固化在适配器的ROM中
- 适配器有过滤功能过滤MAC帧中的目的地址
MAC帧的种类
- 单播(unicast)帧（一对一）：帧的目的地址与本机相同
- 广播(broadcast)帧（一对全体）：发送给局域网的全部地址（全1:FFFFFF）
- 多播(multicast)帧（一对多）：发送给局域网一部分站点的帧3. MAC帧格式

扩展以太网

在物理层上扩展
- 利用光纤低时延扩展主机与集线器的距离
- 利用多个集线器组成多级星型结构以太网
  - 优点：扩大以太网物理范围
  - 缺点：扩大了碰撞域、只能连接相同数据率的集线器
在数据链路层扩展以太网
- 网桥(Bridge)：根据帧的目的地址决定转发的接口，而不是在所有接口转发帧
  - 优点：有自学习算法、过滤通信量、扩大物理范围、提高可靠性、可互连不同物理层，MAC子层，不同速率的局域网
  - 缺点：存储转发增加了时延、没有流量控制功能、具有不同MAC子层的网段桥接时时延会增大、适合在用户数不多与通信量不大的局域网，否则会因广播过多而造成拥塞
- 以太网交换机
  - 可以看作多接口的网桥
  - 接口直接连接主机或者其他交换机
  - 全双工方式工作
  - 支持多对初级同时通信，独占通道，无碰撞
  - 接口有存储器进行忙时的帧缓存
  - 帧交换表使用自学习算法自动建立
  - 有多种速率接口
  - 支持直通(cut-through)传输
  - 生成树算法：避免交换机无限循环广播
    1. 确定根(RootBridge)
    2. 确定根端口RP：距离根最近的端口
    3. 确定指定端口DP：一条通路中距离根最近的端口
    4. 阻断非指定端口NP：通路中非DP非RP的端口
虚拟局域网VLAN(Virtual LAN)
- VLAN的概念
- 802.3ac标准支援VLAN的以太网帧

高速以太网

100Base-T(Fast Ethernet)
- 全双工工作无冲突
- 不使用CSMA/CD协议但帧格式仍然是802.3标准
- 保持最短帧长不变，规定最大电缆长度为100m
- 帧间时间间隔为0.96$\mu$s
- 自适应10Mbit/s和100Mbit/s
吉比特以太网
- 允许在1Gbit/s以全双工与半双工工作
- 使用IEEE802.3协议的帧格式
- 半双工方式使用CSMA/CD协议、全双工不需要
- 与10BASE-T和100BASE-T向后兼容
- 物理层标准支持光纤与铜缆

数据链路层安全

MAC地址绑定：将交换机一个接口绑定一台mac地址
MAC/IP绑定：限制一条链路的机器数量

Chapter4——网络层

网络层提供的两种服务

虚电路服务（电信网）
- 建立独占连接
- 预留通信资源
- 可靠传输（保证发送成功）
- 所有分组沿着同一条链路传输
- 通信结束释放虚电路
数据报服务（因特网）
- 简单灵活
- 无连接
- 尽最大努力交付
- 所有分组可能沿着不同链路
- 网络层不提供可靠交付（由端系统负责）
- 优点
  - 网络造价降低
  - 运行方式灵活
  - 适应多种应用

网际协议IP

虚拟互联网
- 网络互连的设备（中间设备/中继系统）
  - 物理层：转发器、hub
  - 数据链路层：网桥(bridge）
  - 网络层：路由器(Router)
  - 网络层以上：网关(gateway)少用
- 虚拟互联网：利用IP协议将性能不同的互联网络在网络层上看起来好像一个统一的网络*(aka. 互联网)*
  - 优点：可以忽略具体的网络异构细节
IP协议概览
- 与IP协议配套使用的四个协议
  - 地址解析协议ARP(Address Resolution Protocol)
  - 逆地址解析协议RARP(Reverse Address Resolution Protocol)淘汰了
  - 网际控制报文协议ICMP(Internet Control Message Protocol)
  - 网际组管理协议IGMP(Internet Group Management Protocol)
- IP地址
  - IPv4地址是全球唯一的32位标识符
  - IP地址={<网络号>,<主机号>}
  - 主机号不可全0、全1
    - 主机号全0:表示该网段
    - 主机号全1:表示广播地址
  - IP地址的分类
  - ---A类----128----B类----192----C类---
- 特殊的几个地址
  - 127.0.0.1 本地环回地址
  - 169.254.0.0 Windows系统自动分配的地址
  - 10.0.0.0 A类保留私网地址
  - 172.16.0.0——172.31.0.0 B类保留私网地址
  - 192.168.0.0——192.168.255.0 C类保留私网地址
- 子网掩码
  - 作用：帮助判断要通信的设备是否为一个子网
  - 原理：利用子网掩码与地址按位与运算求网络号，若网络号相同则为同一子网
    - 若不在同一网段则使用网关的MAC地址封装数据帧转发给路由器
    - 若在同一子网则直接发送
  - A类地址子网掩码：255.0.0.0
  - B类地址子网掩码：255.255.0.0
  - C类地址子网掩码：255.255.255.0
- 等长子网划分
  - 可以通过更改子网掩码达到划分子网的目的：
  - 划分的子网是等长的
  - 点到点的子网掩码是255.255.255.252
- 变长子网划分(VLSM:Variable Length Subnet Mask)
  - 利用不同的子网掩码，来划分不等长的子网
- 构造超网(CIDR:Classless Inter-Domain Routing)
  - 无分类域间路由选择
  - 消除ABC类地址与子网划分概念
  - IP地址={<网络前缀>,<主机号>}
  - CIDR记法：IP地址+“/xx”
    
    xx表示子网掩码占用位数如：192.168.0.12/24表示子网掩码为255.255.255.0
  - 将要合并的子网除以4根据余数可以判断要移几位
- MAC地址与IP地址差异
  - MAC地址决定下一跳的路由
  - IP地址决定讯息传送的终点
ARP协议(Address Resolution Protocol)
- 主要功能
  - 从在网络层使用的IP地址中解析出在数据链路层使用的MAC地址
- 工作步骤：
  1. 当主机A要往本局域网的主机B发送数据报时，先在ARP高速缓存(cache)中查找主机B的IP地址
  2. 若有，则往MAC帧中写入对应的物理地址
  3. 若无，则使用ARP进程广播发送ARP请求分组
  4. 本局域网的任何主机都能接受广播
  5. 若主机B的IP地址与请求分组地址一致，则返回写有自己物理地址的响应分组
  6. 当主机A接受此响应分组后，将B的物理地址写入ARP cache中
- ARP欺骗
  - 若在步骤5有危险主机C也发送了自己的响应分组，则可以截断通信
  - 主机C接收了主机A的通信，再转给主机B，就可以监听通信
- RARP
  - 通过已知的MAC物理地址找出IP地址，已经停用
IP数据报的格式
- IP数据报由首部与数据两部分组成
- 首部分为固定部分与可变部分，固定部分共20字节，必须具有
- 数据部分长度可变
- 首部介绍
  - 版本：分辨IPv4或IPv6
  - 首部长度：描述可变部分+固定部分（20字节）长度，长度从5(0101)到15(1111)，单位为4个字节。数据不到4个字节则使用字节填充
  - 区分服务：用以区分数据报的服务，如：紧急程度。少用
  - 总长度：首部与数据之和，单位是字节。
    - 数据链路层规定了最大传输单元MTU(Maximum Transfer Unit)
    - 若超过则需要分片
  - 标识(id)：计数器，每产生一个数据报就+1。并不是序号，因为IP没有顺序。
  - 标志(flag)：占3位，只有前2位由意义。
    - 最低位是MF(More Fragment)=1表示后面还有分片、MF=0表示最后一个分片。
    - 中间位是DF(Don't Fragment)=0表示允许分片
  - 片偏移：表示分片的分组在原分组的相对位置。单位：8个字节。
  - 生存时间TTL(Time To Live)：数据报在网络中的生存时间，防止永远到达不了的数据报占用资源。路由器在每次转发数据报的时候就-1。TTL=1表示只能在本局域网传送。
  - 协议：指明上层的协议，以便目的主机知道要使用哪个协议处理数据
  - 首部检验和：验证首部有没有出错
IP转发分组的流程
- 数据路由：数据经过路由器在不同网段转发数据报
- 网络畅通的条件：数据报必须能去能回
- 数据路由的条件：沿途的路由器必须知道目标/源网络下一跳给哪个接口
- 静态路由：手动配置每个路由器接口的路由表
- 网关：网络的关口。不仅具有路由功能，也能在两个不同协议集之间转换。实现两个网络的互联
- 默认网关：如果主机找不到可用网关，则统一把数据报发给默认网关（没有网关不能连接外网）aka.默认路由
- 网络负载均衡：主机A到主机B有两条路由线路，可以通过配置实现负载均衡

网际控制报文协议ICMP

ICMP协议特点
- 目的：为了提高IP数据报交付成功的机会
- 允许主机或路由器报告差错情况与提供有关异常情况的报告
- ICMP不是高层协议，而是IP层协议
- ICMP作为IP数据报的数据，加上数据报的首部，组成IP数据报发送出去
ICMP报文格式
- ICMP报文有两种类型，ICMP差错报告报文与ICMP询问报文
- PING使用了ICMP回送请求与回送回答报文
- PING是应用层直接使用网络层ICMP的例子，没有通过运输层的TCP或UDP

路由选择协议（动态路由协议）

内部网关协议IGP(Interior Gateway Protocol):一个自治系统内用的路由选择协议
- 路由信息协议RIP(Routing Information Protocol)
  - 最早的IGP
  - 根据跳数(hop count,每经过一个路由器就+1)来选择最短路由
  - 允许最高跳数为15，因此只适合小型互联网
  - 仅与相邻路由交换信息，不相邻则不交换
  - 交换信息的内容是自己的路由表
  - 周期性广播交换信息
- 开放最短路径优先协议OSPF(Open Shortest Path First)
  - 在internet ISP使用的协议
  - 直接用IP数据报传输
  - Open表示OSPF不受单一厂商控制，而是公开发表的
  - 根据带宽来选择路由
  - 使用触发式更新：只有路由链路发生改变才会更新
  - 路由表的构造
    1. 发送hello包构造邻居表
    2. 使用洪泛法(flooding)交换各自的邻居表构造链路状态表
    3. 对链路状态表使用Dijkstra的SPF最短路径算法构造路由表
  - 支持多区域，链路状态表只在区域内传播
外部网关协议EGP(External Gateway protocol):传输不同自治系统间的路由选择信息协议
- 边界网关协议BGP(Border Gateway Protocol)
  - 功能：用于在不同的自治系统AS中选择路由
  - 配置BGP时，每个自治系统要选择一个路由器作为BGP发言人
  - BGP发言人通过TCP连接交换路由信息
  - BGP发言人除了运行BGP协议外，还要运行AS内部协议，如RIP或OSPF
  - 优点：交换信息数量少、发言人少，路由选择简单、支持CIDR

虚拟专用网VPN

网络地址转换NAT

传统网络地址转换
- 优点：简单
- 缺点：需要很多公网地址，否则NAT路由接受回传包不知道要给哪个内网地址
网络地址与端口转换NAPT
- 优点：为每个内网地址配置一个端口，可以节省公网地址

Chapter5——传输层

传输层两个协议应用场景

TCP：报文有分段、编号、流量控制、建立会话（开销大）、可靠传输
- 传输协议数据单元是TCP报文段segment
- 场景：传输文件，大档案，访问网站等
UDP：一个数据报完成通信、不建立会话、多播、不可靠传输
- 传送协议数据单元是UDP报文或用户数据报
- 场景：传消息，直播等

传输层与应用层关系

http=TCP+80端口
https=TCP+443
ftp=TCP+21
SMTP=TCP+25
POP3=TCP+110
RDP（远端）=TCP+3389
共享文件夹=TCP+445
SQL=TCP+1433
DNS=UDP+53 || TCP+53

服务运行后在TCP或UDP的某个端口监听客户端请求端口代表服务可以通过更改端口号提升安全性 TCPIP筛选可以限制端口号从而限制服务

Windows防火墙的作用

拦截某个服务的端口号，限制外部访问
允许防火墙内部的数据发送与接受，但不允许防火墙外的数据进入
如果A能ping通B但Bping不通A，有可能是A有防火墙
防火墙不能防止木马程序（查会话查木马）

用户数据报服务UDP

UDP是无连接的，不建立会话，因此减少了发送前的时延并较少开销
UDP尽最大努力交付，不保证可靠交付
UDP是面向报文的，对于应用层的报文，只添加首部后就交付IP层
没有拥塞控制，网络拥塞不会导致主机降低发送速率，适合实时应用（直播）
支持一对一、一对多、多对一、多对多的交互通信
首部开销小，只有8字节

传输控制协议TCP

TCP是面向连接的传输层协议
每一条TCP连接只能有两个端点(endpoint)，只能是点对点（一对一）的连接
TCP连接的端点叫套接字(socket)=IP地址+端口号
提供可靠交付的服务
提供全双工通信
面向字节流
实现拥塞控制

TCP可靠传输原理

停止等待协议
- 发送完一个分组之后停止发送并等待对方确认
- 自动重传请求ARQ(Automatic Repeat reQuest)
- 缺点：信道利用率太低$U=\frac{T_D}{T_D+RTT+T_A}$
连续ARQ协议
- ARQ协议的目的：实现流水线传输
- 滑动窗口：
  1. 发送方可以连续发送滑动窗口内的数据
  2. 只有当接收方确认之后，窗口才能向前滑动
  3. 累计确认：接收方对于按序到达的最后一个分组发送确认（表示这个序号之前的分组都收到了
- 缺点：当网络质量不好的时候连续ARQ会有负面影响

TCP报文段的首部格式

原端口&目的端口：与UDP一样
序号：当前发送数据包第一个数据的编号（每一个字节按顺序编号）
确认号：接收方收到了数据之后向发送方发送的渴望接收的下一个报文段的第一个数据序号
数据偏移：指出TCP报文段首部的长度（最长60byte）
保留：没用，置0
紧急URG：当URG=1时，为紧急数据，优先传送
确认 ACK：只有当ACK=1时，确认号才有用，建立连接后ACK必须是1
推送PSH：当PSH=1时，发送方不等缓存满就马上推送数据包出去
复位RST：当RST=1，释放连接后重新链接，还用于拒绝非法报文或拒绝打开链接
同步SYN：SYN=1表示连接请求或连接接受报文，连接请求时SYN=1、ACK=0
终止FIN：FIN=1表示数据已发送完毕并要求释放连接
窗口：指定己方的接收窗口，也就是接收缓冲区大小，用以告知下一个报文的发送方自己只能接受缓冲区大小的数据
校验和：与UDP相同1，
紧急指针：仅在URG为1的时候才会使用，指向紧急数据

TCP可靠传输的实现

以字节为单位的滑动窗口
- 后沿：后沿的后面部分表示已发送且已收到了确认，这些消息不需要再保留了，后沿的变化一般有两种
  1. 不动：没有收到新的确认
  2. 前移：收到了新的确认
  3. 后沿不可能向后移动，因为已经收到的确认是不可能撤销的
- 前沿：前沿前面的窗口不允许发送，因为接受缓存大小受到了限制，前沿的变化有三种：
  1. 不断向前移动：不断发出消息
  2. 不动：没有收到新的确认、收到确认而且对方同时通知窗口缩小
  3. 向后移动：对方通知窗口缩小（可能产生错误）
- 描述发送窗口的状态需要三个指针：P1(后沿),P2(允许发送但尚未发送),P3(前沿)
  1. P1之前代表已发送并且已收到确认的部分
  2. P3之后代表还不允许发送的部分
  3. P3-P1代表A发送窗口的大小
  4. P2-P1代表已发送但未确认的部分
  5. P3-P2表示允许发送但还没发送的子节（可用窗口、有效窗口）
- B只能对按序收到的最高序号发出确认
- 没有按序到达的数据（提前到达的数据）会先暂存在接受窗口中等待前面的收到再一起发送确认
- P2与P3重合的时候表示A的发送窗口已满，必须停止发送直到B传送了新的确认
- 如果A没能接收到B的确认，会在一段时间后重传数据
- 缓存有限且是循环使用的
- 发送缓存用来存放：
  1. 发送程序准备发送给对方的数据
  2. TCP发送但未确认的数据
- 接收缓存用来存放：
  1. 按序到达但尚未被接受程序读取的数据
  2. 未按序到达的数据
- 如果接收程序来不及读取收到的数据，接收缓存最后会被填满，接收窗口会减少到0；反之如果接收应用程序能及时读取数据，接收窗口就可以增大，但不会超过接收缓存的大小
- A的窗口并不总是和B一样大（因为窗口值的传递有网络延迟）
- TCP对不按序接收的数据会先存放在接收窗口中，等到缺少的字节收到之后再按序交付给上层进程
- TCP要求接收方必须有累积确认功能以便减小传输开销（接收方不应该过分推迟发送确认）；接收方可以在自己有数据发送时顺便捎带上确认信息（少见）
- TCP的通信方式为全双工，每一方都有自己的发送与接收窗口
超时重传时间的选择
- 报文往返时间RTT
- 报文加权平均往返时间$RTT_s$:S=smoothed（因为加权了所以更加平滑）
  $new RTT_s=(1-\alpha)\times (old RTT_s)+\alpha \times (new RTT sample) $
  $0 \leq \alpha < 1$
  - 若$\alpha$接近于0，表示新的RTT样本影响不大（更新慢）
  - 若$\alpha$接近于1，表示新的RTT样本影响较大（更新快）
- 超时重传时间RTO(Retransmission Time-Out)：应该略大于上面计算的$RTT_s$
- 对于“如何判定此确认报文段是对先前的确认或者是对后来重传的确认？”这个问题的解决方法：
  - Karn算法：报文段每重传一次，就把超时重传时间RTO增大一些
选择确认SACK(Selective ACK)
- 如上图，一段字节块需要两个指针指出边界
  - 左边界指出字节块第一个字节的序号
  - 右边界-1指出字节块最后一个字节序号
- 使用首部的选项部分（扩充首部）储存SACK选项
  - 最多只能指明4个字节边界块信息
  - 每个序号需要4个字节$\times$每个边界块需要2个序号+1个字节表示使用SACK+1个字节表示占用字节$\leq$40字节（选项最大长度）

TCP的流量控制

利用滑动窗口实现流量控制
- 流量控制(flow control)：让发送方的发送熟虑不要太快让接收方来得及接收
- TCP窗口单位是字节
- 死锁局面：
  - 在B向A发送零窗口报文后，B接收缓存又有了储存空间，于是B向A发送了rwnd=400的报文段，可是这个报文段丢失了。造成双方都在等对方响应的死锁局面
  - 解决方案：TCP为每一个连接设置了一个持续计时器(persistence timer)，只要接收到零窗口报文，就会启动计时器，计时器到期就发送一个零窗口探测报文段，对方会在确认这个报文段的时候给出现在的窗口值。
TCP的传输效率
- TCP报文的发送时机：
  1. TCP维持一个变量等于最大报文长度MSS，只要缓存数据到达MSS，就发送一个TCP报文段
  2. 由发送方进程要求发送报文段，如推送push操作
  3. 发送方的某个计时器到了，就发送
- Nagle算法：
  1. 发送方把要发送数据的第一个字节发送出去，然后把后面到达的字节缓存起来
  2. 当发送方接收到第一个数据的确认时，再将缓存中的所有数据封装成一个报文段发送
  3. 只有在收到前一个报文段的确认后才能发送下一个报文段
  4. 当缓存的数据已达到发送窗口大小的一半或已达到MSS时，就立刻发送一个报文段
- 糊涂窗口综合症(silly window syndrome)
  - 接收方的应用进程读取缓存速度太慢，导致接收方每次发送确认时的接受窗口都很小，使得网络效率很低
  - 解决方案：让接收方等待一段时间，或者等到接收缓存已经➡️一半空闲时，才发出确认报文

TCP的拥塞控制

出现资源拥塞的条件：对资源需求的总和>可用资源
拥塞控制vs.流量控制
- 拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有主机、所有路由器
- 流量控制指在点对点发送端与接收端之间的通信量控制
TCP拥塞控制的方法
1. 慢开始与拥塞避免算法
  - 发送方维持拥塞窗口cwnd(congestion window)
  - 发送方让自己发送窗口=min（拥塞窗口，发送窗口）
  - 维持拥塞窗口的原则：没有出现拥塞就增大窗口，反之亦然
  - 慢开始：由小到大逐渐增加拥塞窗口数值（而非一次梭哈）
  - 慢开始门限sshtresh：
  - 拥塞避免：不是指完全避免拥塞，而是在这个阶段将拥塞窗口控制为按线性增长，让网络较不容易出现拥塞
2. 快重传算法
  - 能让发送方尽早得知丢包的发生
  - 接收方在接收到不连续的报文时，需要对已收到的报文段马上重复发三次确认
  - 发送方收到接收方发的重复确认应当立即重传丢包的数据
3. 快恢复算法
  - 在快重传算法运行后，直接将sshtresh=cwnd/2然后执行拥塞避免算法
  - 而不是重新执行慢开始算法

TCP的运输连接管理

运输连接有三个阶段：连接建立，数据传送，连接释放
客户机服务器方式(C/S)：主动发起连接建立的进程叫客户(client)、被动等待连接建立的进程叫服务器(server)
连接建立：三次握手
连接释放

Chapter6——应用层

域名系统DNS

域名系统DNS(Domain Name System)
- 用途：把域名解析为IP地址
- DNS为联机分布式数据库系统
域名结构
- 域名由英文，数字与（-）组成，不区分大小写
- 级别最低的域名在最左边，级别最高的域名在最右边
- 域名只是逻辑概念，与物理地点无联系
- 域名树组成域名结构，从上到下分别为根、顶级域名、二级域名。。。
- 域名解析由根DNS服务器开始逐层往下解析，每层的每个域名都负责解析各自下面的域名
配置自己的DNS服务器
- 解析内网自己的域名
- 降低到Internet的域名解析流量
- 创建自己的域环境

动态主机配置协议DHCP

动态主机配置协议DHCP(Domain Host Configuration Protocol)
- 用途：为PC自动分配动态IP地址
DHCP客户端请求IP地址的过程
1. 客户端在互联网上发布广播
2. DHCP服务器从地址池中选择一个IP地址发给客户端（可能有多个DHCP server）
3. 客户端发送接收特定IP地址的通知给DHCP server
4. DHCP server发送子网掩码、网关、DNS server给客户端
跨网段地址分配
- 通过对路由器端口设置，将请求IP的广播包定向发给DHCP server
- ip helper address ""

文件传输协议FTP(File Transfer Protocol)

FTP采用C/S模式
客户端与服务器传数据时并行运行两种进程
- 控制进程：进行控制连接的进程，server使用21端口
- 数据传送进程：进行数据连接的进程，有主动与被动模式
控制连接：进行数据控制的连接（传送文件操作命令），标准端口为21
数据连接：实际传输数据的连接，有两种模式（站在server角度看），标准端口为20
- 主动模式：client告诉server要用什么端口，server主动使用20端口与此端口建立连接
- 被动模式：server被动打开一个端口（针对每一个client不同）等待client发起连接
FTP传输模式：ASCII模式、二进制模式
FTP server如果有防火墙需要进行端口控制，需要打开20与21端口，然后使用主动模式连接

远程终端协议TELNET

默认使用TCP23端口
也是使用C/S模式，在本地运行TELNET客户端进程可以通过TCP登入远地的一个运行TELNET伺服器进程的主机

远程桌面协议RDP(Remote Desktop Protocol)

有UI的TELNET

万维网WWW(World Wide Web)

WWW概述
- WWW提供分布式服务
- WWW是一个超媒体(Hypermedia)系统
- WWW以C/S方式工作：Client向Server发出请求，Server向Client发回它需要的WWW文档
- 互联网中网站的标识：
  1. IP地址
  2. 端口号
  3. 域名
统一资源定位符URL(Uniform Resource Locator)
- URL用来表示从互联网得到的资源的位置与访问这些资源的方法
- 互联网上的所有资源都有一个唯一确定的URL
- URL中不区分大小写
- URL的形式由以下四个部分组成：
  1. 协议：指使用什么协议获得万维网文档，常用的有HTTP、FTP
  2. 主机：是一个网站的域名Domain
  3. 端口：指出连接该主机使用的端口（省略则使用协议默认端口）
  4. 路径：指出当前页面在该主机的路径（省略则现实主机的主页面home page）
超文本传输协议HTTP
- HTTP使用TCP80端口
代理伺服器Proxy server
- Proxy server是一个网络实体，又被称为Web cache
- Proxy server可以把最近的一些请求与响应暂存在本地磁盘中，能快速响应请求，减少内网访问Internet的带宽
- Proxy server可以限制特定主机连接外网
- Proxy server可以绕过防火墙
- Proxy server可以避免跟踪
在伺服器存放用户信息Cookie
- 工作原理：

电子邮件E-mail

Internet中收发邮件的过程
- 邮件客户端/用户代理UA(outlook,Mail,etc.)通过实名中继(通过账号密码登入)连接上邮件伺服器(126,yahoo,icloud,etc.)收发email
- 伺服器通过SMTP发送邮件，POP3/IMAP接受邮件到另一个邮件伺服器
简单邮件传送协议SMTP
- 使用TCP25端口
- SMTP不使用中间邮件伺服器
- UA向发送方服务器发送邮件、发送方伺服器向接收方伺服器发送邮件使用的协议
邮件读取协议POP3/IMAP
- UA从接收方伺服器读取邮件使用的协议
- POP3会将邮件下载到UA中
- IMAP是一个联机协议，只有当用户打开邮件的时候才会下载到本地

Chapter7——网络安全

网络安全问题概述

安全包含哪些方面：
1. 数据存储安全
2. 应用程序安全
3. 操作系统安全
4. 网络安全
5. 物理安全
6. 用户安全教育
主动攻击与被动攻击
1. 主动攻击：中断（有意中断他人网络通信）、篡改（故意篡改网络上的报文）、伪造（伪造信息在网络传送）、恶意程序(rogue program)
2. 被动攻击：截获（窃听他人通信内容）
恶意程序
1. 计算机病毒(computer virus)：会传染给其他程序的程序，传染是通过修改其他程序来把自身或其变种复制进去完成的
2. 计算机蠕虫(computer worm)：利用网络通信功能将自己从A发到B并自动启动运行的程序
3. 特洛伊木马(Trojan horse)：它执行的功能与宣称的功能不同而是有某种恶意功能
4. 逻辑炸弹(logic bomb)：一种当运行环境满足某种条件时执行其他功能的程序
5. 后门入侵(backdoor knocking)：利用系统实现的漏洞通过网络入侵系统
6. 流氓软件：一种未经允许便在计算机上安装运行损害用户利益的软件

加密技术

对称加密
- 加密密钥与解密密钥相同,加密方与解密方共享一个相同的密钥
- 缺点：
  1. 密钥不适合在网络传输
  2. 维护密钥成本大（两两之间就有一对密钥）
- 优点：
  1. 效率高
- 数据加密标准DES算法
  1. 对明文分组，每一组长度为64位
  2. 对每一组64位数据进行加密为64位密文
  3. 将各组密文串接起来得出整个密文
  4. 密钥长度为64位，包含8位奇偶校验（现多为128位）
  5. DES算法保密性取决于密钥长度
非对称加密
- 加密密钥与解密密钥不同，分为公钥与私钥
- 私钥自己保留，公钥公开
- 私钥加密能用公钥解密，公钥加密能用私钥解密
- 优点：
  1. 公钥可以在网络传播（公钥公开）
  2. 多个用户可以共用同一公钥
- 缺点：
  1. 效率低
应用：
1. 使用非对称公钥加密对称加密密钥，然后用对称加密加密信息（兼顾安全与效率）
2. 数字签名：用私钥加密（签名）可以防止抵赖、确保不被更改
3. 加密的数字签名
4. 鉴别
5. 证书颁发机构CA(Certificate authority)
  - 为企业与用户颁发数字证书，确认企业与个人身份
  - 颁发证书吊销列表
  - 企业与个人信任证书颁发机构

Internet的安全协议

安全套接字SSL(Secure Socket Layer)

位置：应用层与传输层之间
功能
1. 发送方：加密应用层的数据之后传输给传输层的TCP套接字
2. 接收方：从TCP套接字读取数据解密后传输给应用层
应用
1. https TCP-443端口
2. imaps TCP-993端口
3. pop3s TCP-995端口
4. smtps TCP-465端口
原理与工作过程
提供的服务
1. 服务器鉴别
2. 客户鉴别
3. 加密会话

IPsec(IP security)

位置：网络层
安全关联SA(Security Association)
- 定义：在使用AH或ESP之前，要从源主机到目的主机建立一条网络层的单向逻辑连接，这个逻辑连接就叫做安全关联SA
- 作用：SA时IPsec的基础，是两个通信实体通过IKE协议协商建立的协定，它决定了：
  1. 用来保护数据安全的协议(AH,ESP)
  2. 转码方式
  3. 密钥
  4. 密钥的有效时间
两个主要协议：
- 鉴别首部AH(Authentication Header)协议：
  1. 鉴别源点
  2. 检查数据完整性（数字签名）
  3. 不能保密
- 封装安全有效载荷ESP(Encapsulation Security Payload)协议：
  1. 较AH复杂
  2. 鉴别源点
  3. 检查数据完整性
  4. 提供保密

数据链路层的安全

可以通过设定路由器PPP协议进行实名验证与加密

防火墙Firewall

由软硬件构成的系统
是一种特殊编程路由器，实施访问控制策略
防火墙内的网络称为“可信网络”，反之称为“不可信网络”
防火墙技术分类
- 网络层防火墙：基于数据包、源地址、目标地址、协议和端口、控制流量
- 应用层防火墙：数据包、源地址、目标地址、协议端口、用户名、时间段、内容、防病毒
防火墙网络拓扑
- 三向外围网
- 背靠背防火墙
- 单一网卡
- 边缘防火墙

Chapter8——Internet上的音频/视频服务

视频/音频服务面临的问题

延迟（对交互式/实时的影响尤其大）
带宽不稳定（可以通过缓存/播放延时减缓）
占用带宽高

视频/音频服务的三种类型

流式(streaming)存储音频/视频——边下载边播放
- 特点：节省客户端物理空间、保护版权
- 例子：Youtube,Bilibili
流式实况音频/视频——边录制边发送
- 特点：实时编码至流媒体服务器传送至客户端
- 例子：直播、实况
交互式音频/视频——实时交互式通信
- 特点：双向实时编码传送
- 例子：视讯、通话、IP电话

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计算机网络重点整理

Chapter1——概述

因特网概述

发展三阶段：

因特网的组成

报文交换方式

计算机网络的类别

计算机网络的性能指标

计算机网络体系结构

Chapter2——物理层

物理层的基本概念

典型数据通信模型

相关术语

常见编码方式

信道的极限容量

信道复用技术(multiplexing)

Chapter3——数据链路层

数据链路层的信道类型

链路与数据链路

三个基本问题

点对点协议PPP(Peer to Peer Protocol)

广播信道

以太局域网（以太网）

以太网的MAC层

扩展以太网

高速以太网

数据链路层安全

Chapter4——网络层

网络层提供的两种服务

网际协议IP

网际控制报文协议ICMP

路由选择协议（动态路由协议）

虚拟专用网VPN

网络地址转换NAT

Chapter5——传输层

传输层两个协议应用场景

传输层与应用层关系

Windows防火墙的作用

用户数据报服务UDP

传输控制协议TCP

TCP可靠传输原理

TCP报文段的首部格式

TCP可靠传输的实现

TCP的流量控制

TCP的拥塞控制

TCP的运输连接管理

Chapter6——应用层

域名系统DNS

动态主机配置协议DHCP

文件传输协议FTP(File Transfer Protocol)

远程终端协议TELNET

远程桌面协议RDP(Remote Desktop Protocol)

万维网WWW(World Wide Web)

电子邮件E-mail

Chapter7——网络安全

网络安全问题概述

加密技术

Internet的安全协议

安全套接字SSL(Secure Socket Layer)

IPsec(IP security)

数据链路层的安全

防火墙Firewall

Chapter8——Internet上的音频/视频服务

视频/音频服务面临的问题

视频/音频服务的三种类型

End